高层建筑及附体基础设计 学生姓名:王文良指导教师:刘丽萍 (土木工程学院土木工程专业) 【摘要】:本设计为高层建筑及附体基础设计,主体为24层商住楼,框支剪力墙结构,附体为4层商场 框架结构。主要完成了上部结构竖向导载计算和主楼及附体基础设计。为了减少由于上部结构荷载不均引 起的不均匀沉降,主体采用桩筏基础,刚性板法计算内力:附体采用十字交叉基础,弹性地基梁法计算内 力,并完成了承载力验算及截面设计等一系列工作 【关键词】:竖向导载桩筏基础十字交叉基础承载力验算截面设计 (Abstract]: The building to be designed is a tall building and its additional parts. The main part is a 24storeies residential apartment which is frame-shear wall structure, and the add itional build ing is a 4 stories frame sstructure shopping building. The main parts of this design include the vertical loadscalculation of superstructure and the foundation desigen To minimum the differential sett lement, pile-raft foundation is used in the main structure and crossing foundation in the additional parts. Theelasticfoundation beam method was used to calculate the intend stress of the crossing foundation (Key words]: transimit ofvertical load, pile reft foundation, cross-shapde foundation, bear ing capucity check, section design 1工程概况 某商住楼,地下一层,地上23层(其中地下一层为人防地下室:地上除一、二层为商 业用房外均为住宅)。由主楼和裙房组成,主楼为框支剪力墙结构,裙房为框架结构,建筑 总面积为25665m2 2设计基本资料 建筑物耐久年限为50年;建筑类别为一类;建筑耐火等级为一级;建筑抗震烈度为8 2.1工程地质劫察报告 包括地基地层报告、地下水、不良地质现象、地基土物理力学性质指标。 2.2建筑图 底层平面图;地下一层平面图;剖面图:立面图:标准层平面图。 2.3结构图 标准层结构平面图;一层结构平面图:地下一层结构平面图。 3上部结构竖向导载的计算 基础是将上部结构荷载传向地基的结构,传至基础顶面的荷载是基础设计的依据,因而 需计算出作用于基础顶面的上部结构竖向荷载。要求计算上部结构梁板传至柱或墙的荷载, 并累加到基础顶面。要求恒载标准值和活载标准值分别计算。包括主体结构竖向荷载作用下 内力的计算,附体结构竖向荷载作用下框架结构的内力计算。 4主体基础设计 4.1基础选型
高层建筑及附体基础设计 学生姓名：王文良 指导教师：刘丽萍 （土木工程学院 土木工程专业） 【摘 要】: 本设计为高层建筑及附体基础设计，主体为 24 层商住楼，框支剪力墙结构，附体为 4 层商场， 框架结构。主要完成了上部结构竖向导载计算和主楼及附体基础设计。为了减少由于上部结构荷载不均引 起的不均匀沉降，主体采用桩筏基础，刚性板法计算内力；附体采用十字交叉基础，弹性地基梁法计算内 力，并完成了承载力验算及截面设计等一系列工作。 【关键词】:竖向导载 桩筏基础 十字交叉基础 承载力验算 截面设计 【Abstract】: The building to be designed is a tall building and its additional parts.The main part is a 24storeies residential apartment which is frame-shear wall structure,and the additional building is a 4 stories frame sstructure shopping building. The main parts of this design include the vertical loadscalculation of superstructure and the foundation desigen.To minimum the differential settlement,pile-raft foundation is used in the main structure and crossing foundation in the additional parts.Theelasticfoundation beam method was used to calculate the internd stress of the crossing foundation. 【Key words】: transimit ofvertical load, pile reft foundation, cross-shapde foundation, bearing capucity check, section design. 1 工程概况 某商住楼，地下一层，地上 23 层（其中地下一层为人防地下室；地上除一、二层为商 业用房外均为住宅）。由主楼和裙房组成，主楼为框支剪力墙结构，裙房为框架结构，建筑 总面积为 25665m2。 2 设计基本资料 建筑物耐久年限为 50 年；建筑类别为一类；建筑耐火等级为一级；建筑抗震烈度为 8 度。 2.1 工程地质勘察报告 包括地基地层报告、地下水、不良地质现象、地基土物理力学性质指标。 2.2 建筑图 底层平面图；地下一层平面图；剖面图；立面图；标准层平面图。 2.3 结构图 标准层结构平面图；一层结构平面图；地下一层结构平面图。 3 上部结构竖向导载的计算 基础是将上部结构荷载传向地基的结构，传至基础顶面的荷载是基础设计的依据，因而 需计算出作用于基础顶面的上部结构竖向荷载。要求计算上部结构梁板传至柱或墙的荷载， 并累加到基础顶面。要求恒载标准值和活载标准值分别计算。包括主体结构竖向荷载作用下 内力的计算，附体结构竖向荷载作用下框架结构的内力计算。 4 主体基础设计 4.1 基础选型
本设计上部结构荷载较大,适合于作为持力层的土层又埋藏较深,用天然浅基础或仅作 简单的人工地基加固仍不能满足要求,该上部建筑物对沉降要求严格。因此选用桩基础,又 由于上部结构是框支结构,承受荷载的既有框架柱又有剪力墙,故优先考虑桩筏基础。本设 计采用平板式桩筏基础。 4.2桩筏基础设计 此桩筏基础采用不考虑共同作用的计算方法,即上部结构视为柱底(墙底)固端约束的 独立结构,用结构力学方法求出外荷载作用下结构内力和柱底及墙底反力,然后将求出的柱 底(墙底)固端力作用于基础,假设外荷载全部由桩承担,由外荷载和单桩承载力确定桩数, 再按材料力学要求或构造要求确定承台的尺寸和配筋 4.2.1桩型选择、施工工艺和承台埋深 桩型选择端承摩擦桩,施工工艺选择钻孔灌注桩(采用泥浆护壁),承台底面埋深6.3m。 4.2.2初步选择桩断面及持力层,估算单桩承载力,确定桩数并进行平面布置 (1)选择桩端持力层,估算单桩承载力 桩基持力层宜选择在压缩性较低的土层中,且需综合考虑桩基承载力的要求以及布桩 条件。分别选择第⑥层(粉质粘土)、第⑦层(粉质粘土)、第③层(粉质粘土)作为桩端持 力层,桩长分别为20m、26m、3m。按照《建筑桩基技术规范》JGJ94-94中的经验公式 确定单桩承载力标准值 R=(Qpk+Qk)ys甲 Qk=u·∑qsik·h 然后分别计算个桩长下所需桩数n 7=(11~!.2)(F+GR (2)桩数的初步确定及其平面布置 按照以下原则进行桩的平面布置(1)尽可能使群桩横截面的形心与长期荷载的合力作 用点重合:(2)尽量将桩布置在靠近承台(筏板)的边缘部分,以增加桩基的惯性矩;(3) 保持桩矩S=(3~4)d左右为宜,桩在平面上的布置多采用行列式。初步选定桩长20m,桩 径700mm的桩,极限承载力为2029.9kN.桩数220根 (3)筏板尺寸 板厚取1.4m(待冲剪验算后最终确定),纵向外伸350mm(到外柱外边缘),横向外伸 取800m(到外柱外边缘)。其下设100mm后的素混凝土垫层。 4.2.3桩顶作用效应验算 (1)上部荷载及基础自重完全由桩来承担(即不考虑底板下土的分担作用),桩顶反力 按直线型分布计算 F+G My,M,x, N 桩顶作用效应满足 y0N≤R (2)群桩中单桩竖向承载力的验算 在荷载作用下,存在群桩效应问题,群桩承载力并不等于单桩承载力之和。根据《建筑 桩基技术规范》JGJ94-94的规定 Rn, 4 k/rs+n,Q,/y +nVr. 经计算20m的桩不能满足要求,改选26m长的桩满足要求。单桩承载力为2126.4kN。 4.2.4桩筏基础沉降验算
本设计上部结构荷载较大，适合于作为持力层的土层又埋藏较深，用天然浅基础或仅作 简单的人工地基加固仍不能满足要求，该上部建筑物对沉降要求严格。因此选用桩基础，又 由于上部结构是框支结构，承受荷载的既有框架柱又有剪力墙，故优先考虑桩筏基础。本设 计采用平板式桩筏基础。 4.2 桩筏基础设计 此桩筏基础采用不考虑共同作用的计算方法，即上部结构视为柱底（墙底）固端约束的 独立结构，用结构力学方法求出外荷载作用下结构内力和柱底及墙底反力，然后将求出的柱 底（墙底）固端力作用于基础，假设外荷载全部由桩承担，由外荷载和单桩承载力确定桩数， 再按材料力学要求或构造要求确定承台的尺寸和配筋。 4.2.1 桩型选择、施工工艺和承台埋深 桩型选择端承摩擦桩，施工工艺选择钻孔灌注桩（采用泥浆护壁），承台底面埋深 6.3m。 4.2.2 初步选择桩断面及持力层，估算单桩承载力，确定桩数并进行平面布置 （1）选择桩端持力层，估算单桩承载力 桩基持力层宜选择在压缩性较低的土层中，且需综合考虑桩基承载力的要求以及布桩 条件。分别选择第○6 层（粉质粘土）、第○7 层（粉质粘土）、第○8 层（粉质粘土）作为桩端持 力层，桩长分别为 20m、26m、33m。按照《建筑桩基技术规范》JGJ94—94 中的经验公式 确定单桩承载力标准值。 R=(Qpk +Qsk )/ γsp Qpk=qpk ·Ap； Qsk=u·∑qsik·li； 然后分别计算个桩长下所需桩数ｎ n=(1.1~!.2)(F+G)/R （2）桩数的初步确定及其平面布置 按照以下原则进行桩的平面布置（1）尽可能使群桩横截面的形心与长期荷载的合力作 用点重合；（2）尽量将桩布置在靠近承台（筏板）的边缘部分，以增加桩基的惯性矩；（3） 保持桩矩 Sa=（3～4）d 左右为宜，桩在平面上的布置多采用行列式。初步选定桩长 20m，桩 径 700mm 的桩，极限承载力为 2029.9kN.桩数 220 根。 （3）筏板尺寸 板厚取 1.4m（待冲剪验算后最终确定），纵向外伸 350mm（到外柱外边缘），横向外伸 取 800mm（到外柱外边缘）。其下设 100mm 后的素混凝土垫层。 4.2.3 桩顶作用效应验算 （1）上部荷载及基础自重完全由桩来承担（即不考虑底板下土的分担作用），桩顶反力 按直线型分布计算 + = 2 2 i i x M x y M y n F G N y i x i i 桩顶作用效应满足 γ0 N ≤R γ0Nmax≤1.2R （2）群桩中单桩竖向承载力的验算 在荷载作用下，存在群桩效应问题，群桩承载力并不等于单桩承载力之和。根据《建筑 桩基技术规范》JGJ94-94 的规定 R=ηsQsk/γs+ηpQpk/γp+ηcQck/γc 经计算 20m 的桩不能满足要求，改选 26m 长的桩满足要求。单桩承载力为 2126.4kN。 4.2.4 桩筏基础沉降验算
对于桩-筏基础的整体沉降计算,现行规范没有给出明确的规定。目前主要有两类计算 方法。一类是从桩-筏基础的受力机理出发得到“简易理论法”;一类是从弹性理论出发得到 的半经验半理论公式。本设计采用的沉降计算的简易理论方法。首先根据外荷P与地基总 抗力T的大小关系确定计算模式。一种模式为P>T的实体深基础模式:一种模式为P≤T的 复合地基计算模式。经计算知本设计为β<T的复合地基计算模式。整体最终沉降量 S=Sp+Ss 其中:S为桩身压缩量,S为桩段平面一下压缩厚度范围内的压缩量。S按轴心受压构件轴 力按三角形分布计算;Ss按分层总和法计算。计算结果为7.84cm,满足规范中要求高层建 筑整体沉降量不大于20cm的要求。 4.2.5桩身设计 按照《建筑桩基技术规范》JGJ94-94,满足 y0N≤/f4pψ 的要求,桩身只需按照构造配筋。钢筋配置如下 ①主筋釆用10Φ14,桩身通长配筋,箍筋采用φ8(桩顶以下三米内加密区间距取150, 其余桩长范围内取250;另外沿桩长配置φ14@2000焊接加劲箍); ②钢筋笼的连接采用焊接或机械连接,主筋伸入承台内不小于30d ③混凝土强度等级为C30 4.2.6试桩与锚桩设计 (1)试桩 试桩截面设计与工程桩相同,桩顶标高比试坑地面高出至少600,为避免试桩桩顶局部 受压破坏,桩顶处以薄钢板作成加劲箍与桩身混凝土浇成一体;试桩数量按规范不小于总桩 数的1%且不小于3根,故选取3根试桩。单根试桩的锚桩取四根。锚桩总数为12根。试 桩锚桩均兼做工程桩。 (2)锚桩 锚桩截面冋工程桩,截面配筋除抗压筋外尚需按计算配置抗拉钢筋。计算时,单根试桩 试验极限荷载取2倍的单桩承载力设计值,约为4700KN,则单根锚桩受到的上拔力为 1175kN,取1、3倍约为1600kN。则锚桩截面配筋量为5890mm2。配置12φ25:箍筋配置 同工程桩。 (3)锚桩抗拔验算 锚桩抗拔验算按照《建筑桩基技术规范》GBJ94-94中抗拔桩的承载力验算公式进行 并考虑水浮力和基桩自重影响 基桩抗拔极限承载力标准值按下式进行 Uk 其中,U为基桩抗拔承载力标准值 λ1为抗拔系数: qsik为桩侧摩阻力标准值 受拉承载力标准值应满足 lomax≤Uys+Gp 其中,G。为基桩(土)自重设计值并扣除水浮力影响 经验算承载力满足要求。 4.2.7筏板厚度抗冲切和抗剪计算 筏板的抗冲切验算包括桩对筏板的冲切,柱对筏板的冲切以及电梯井对筏板的冲切,依 据《地基基础设计规范》GB50007-2002,均满足要求。筏板还应进行斜截面抗剪承载力验
对于桩-筏基础的整体沉降计算，现行规范没有给出明确的规定。目前主要有两类计算 方法。一类是从桩-筏基础的受力机理出发得到“简易理论法”；一类是从弹性理论出发得到 的半经验半理论公式。本设计采用的沉降计算的简易理论方法。首先根据外荷 P 与地基总 抗力 T 的大小关系确定计算模式。一种模式为 P>T 的实体深基础模式；一种模式为 P≤T 的 复合地基计算模式。经计算知本设计为 P≤T 的复合地基计算模式。整体最终沉降量 S=Sp + Ss 其中：Sp 为桩身压缩量; Ss 为桩段平面一下压缩厚度范围内的压缩量。Sp 按轴心受压构件轴 力按三角形分布计算；Ss 按分层总和法计算。计算结果为 7.84cm，满足规范中要求高层建 筑整体沉降量不大于 20cm 的要求。 4.2.5 桩身设计 按照《建筑桩基技术规范》JGJ94-94，满足 γ0N≤fcApψc 的要求，桩身只需按照构造配筋。钢筋配置如下: ①主筋采用 10Φ14，桩身通长配筋 ，箍筋采用Φ8(桩顶以下三米内加密区间距取 150， 其余桩长范围内取 250；另外沿桩长配置Φ14@2000 焊接加劲箍)； ②钢筋笼的连接采用焊接或机械连接，主筋伸入承台内不小于 30d. ③混凝土强度等级为 C30。 4.2.6 试桩与锚桩设计 （1）试桩 试桩截面设计与工程桩相同，桩顶标高比试坑地面高出至少 600，为避免试桩桩顶局部 受压破坏，桩顶处以薄钢板作成加劲箍与桩身混凝土浇成一体;试桩数量按规范不小于总桩 数的 1%且不小于 3 根，故选取 3 根试桩。单根试桩的锚桩取四根。锚桩总数为 12 根。试 桩锚桩均兼做工程桩。 （2）锚桩 锚桩截面同工程桩，截面配筋除抗压筋外尚需按计算配置抗拉钢筋。计算时，单根试桩 试验极限荷载取 2 倍的单桩承载力设计值，约为 4700kN，则单根锚桩受到的上拔力为 1175kN，取 1.3 倍约为 1600kN。则锚桩截面配筋量为 5890mm2。配置 12Φ25；箍筋配置 同工程桩。 (3) 锚桩抗拔验算 锚桩抗拔验算按照《建筑桩基技术规范》GBJ94-94 中抗拔桩的承载力验算公式进行， 并考虑水浮力和基桩自重影响 。 基桩抗拔极限承载力标准值按下式进行： Uk =∑λi qsikui li 其中，Uk 为基桩抗拔承载力标准值； λi 为抗拔系数； qsik 为桩侧摩阻力标准值 受拉承载力标准值应满足 γ0Nmax≤Uk/γs +Gp 其中， Gp 为基桩（土）自重设计值并扣除水浮力影响， 经验算承载力满足要求。 4.2.7 筏板厚度抗冲切和抗剪计算 筏板的抗冲切验算包括桩对筏板的冲切，柱对筏板的冲切以及电梯井对筏板的冲切，依 据《地基基础设计规范》GB50007-2002，均满足要求。筏板还应进行斜截面抗剪承载力验
算,按照《地基基础设计规范》GB5000-2002的规定,验算满足要求 4.2.8筏板内力计算及截面配筋 内力计算采用不考虑共同采用的刚性板法计算。取柱的跨中到跨中的板带为计算单元, 以柱作为支座,以桩顶反力和墙传来的荷载作为荷载,按多跨连续梁应用力矩分配法计算筏 板的内力。由于此方法没有考虑各板带之间的变形协调和内力,计算结果较粗糙,可能有较 大误差。底板配筋时考虑到条带之间剪力传递作用和变形协调及施工方便,配筋时整个筏板 配置相同的钢筋。纵横向均采用通常配筋方式并考虑板最小配筋率的要求。 5附体基础设计 考虑到为了保证结构的整体性,选择柱下十字交叉基础。根据以往的实例及构造要求 初选基础梁的尺寸。根据《地基基础设计规范》GB50007-2002的要求对地基承载力进行修 正,经计算满足要求。参照《地基基础设计手册》应用基床系数法对基础结点荷载进行分配, 并在分配后进行调整。因为基础梁的高度小于1/6柱距,采用弹性地基梁模型计算地基梁的 内力。根据集中荷载的位置,选择用无限长梁或半无限长梁表,按折算坐标查得系数计算弯 矩和剪力,列于相应的位置迭加后得最后的内力。基础梁的截面设计包括正截面配筋计算 斜截面配筋计算和翼板配筋计算。基础梁的跨中按T型截面配筋,支座处按矩形截面配筋计 算:斜截面按矩形截面配筋计算:翼板按悬臂梁计算。混凝土强度为C3O,主筋采用HB35 级 6主楼与附体的连接 由于主楼与附体长度不等,且基础形式也不同,考虑到构造上的要求及施工时的种种问 题,采用传统的方法,设置沉降缝将两基础完全断开以防止沉降差造成房屋开裂甚至破坏。 参考文献 1]建筑地基基础设计规范GBJ500072002 [2]建筑桩基技术规范JGJ94-94 [3]混凝土结构设计规范GB50010-2002, 4]高层建筑箱型与筏型基础技术设计规范JBJ6-9 [5]建筑结构荷载规范GB50009-2002 [6]建筑结构制图标准GB/T50105-2001: 7]梁兴文等钢筋混凝土结构设计北京:科学出版社,1999 [8]梁兴文等土木工程专业毕业设计指导.北京科学出版社2003 [9]宰金珉宰金璋高层建筑分析与设计一土与结构物共同作用的理论与应用北京中国建筑工业出 版社,1993 [0][美]F温特科恩方晓阳主编,钱鸿缙,叶书麟等译校基础工程手册建筑工业出版社,1983 [l]陈仲颐叶书麟主编基础工程学.北京中国建筑工业出版社1990 [12]史佩栋高大钊桂业琨主编高层建筑基础手册.北京中国建筑工业出版社,2000 [13]何广乾陈祥福徐至钧主编,高层建筑设计与施工.北京:科学出版社,1992 [14]沈杰地基基础设计手册上海科学技术出版社,1988 [5]15.史佩栋高大钊钱力航主编,21世纪高层建筑基础工程,北京:中国建筑工业出版社2000 [1616. F Eyoung BSc Fice Fistructe Piles and Foundations.Thomas Telford Limited. 1981 [17 17 Josepf E Bowles. Foundation Analysis and Design. New york: MGrow Hill Book Company. 1982
算，按照《地基基础设计规范》GB50007-2002 的规定，验算满足要求。 4.2.8 筏板内力计算及截面配筋 内力计算采用不考虑共同采用的刚性板法计算。取柱的跨中到跨中的板带为计算单元， 以柱作为支座，以桩顶反力和墙传来的荷载作为荷载，按多跨连续梁应用力矩分配法计算筏 板的内力。由于此方法没有考虑各板带之间的变形协调和内力，计算结果较粗糙，可能有较 大误差。底板配筋时考虑到条带之间剪力传递作用和变形协调及施工方便，配筋时整个筏板 配置相同的钢筋。纵横向均采用通常配筋方式并考虑板最小配筋率的要求。 5 附体基础设计 考虑到为了保证结构的整体性，选择柱下十字交叉基础。 根据以往的实例及构造要求， 初选基础梁的尺寸。根据《地基基础设计规范》GB50007-2002 的要求对地基承载力进行修 正，经计算满足要求。参照《地基基础设计手册》应用基床系数法对基础结点荷载进行分配， 并在分配后进行调整。因为基础梁的高度小于 1/6 柱距，采用弹性地基梁模型计算地基梁的 内力。根据集中荷载的位置，选择用无限长梁或半无限长梁表，按折算坐标查得系数计算弯 矩和剪力，列于相应的位置迭加后得最后的内力。基础梁的截面设计包括正截面配筋计算， 斜截面配筋计算和翼板配筋计算。基础梁的跨中按 T 型截面配筋，支座处按矩形截面配筋计 算；斜截面按矩形截面配筋计算；翼板按悬臂梁计算。混凝土强度为 C30，主筋采用 HPB335 级。 6 主楼与附体的连接 由于主楼与附体长度不等，且基础形式也不同，考虑到构造上的要求及施工时的种种问 题，采用传统的方法，设置沉降缝将两基础完全断开以防止沉降差造成房屋开裂甚至破坏。 参考文献 [1] 建筑地基基础设计规范.GBJ50007-2002； [2] 建筑桩基技术规范.JGJ94-94; [3] 混凝土结构设计规范.GB50010-2002; [4] 高层建筑箱型与筏型基础技术设计规范.JBJ6-99; [5] 建筑结构荷载规范.GB50009-2002； [6] 建筑结构制图标准.GB/T50105-2001； [7] 梁兴文等.钢筋混凝土结构设计 北京:科学出版社,1999. [8] 梁兴文等.土木工程专业毕业设计指导. 北京:科学出版社,2003 [9] 宰金珉 宰金璋,高层建筑分析与设计—土与结构物共同作用的理论与应用.北京:中国建筑工业出 版社,1993. [10] [美]H.F.温特科恩.方晓阳主编，钱鸿缙，叶书麟等译校.基础工程手册.建筑工业出版社,1983 [11] 陈仲颐 叶书麟主编,基础工程学. 北京:中国建筑工业出版社,1990 [12] 史佩栋 高大钊 桂业琨主编,高层建筑基础手册. 北京:中国建筑工业出版社,2000. [13] 何广乾 陈祥福 徐至钧主编,高层建筑设计与施工.北京:科学出版社,1992 [14] 沈杰.地基基础设计手册.上海科学技术出版社,1988 [15] 15.史佩栋 高大钊 钱力航主编,21 世纪高层建筑基础工程, 北京:中国建筑工业出版社,2000 [16] 16.F.Eyoung.BSc Fice Fistructe.Piles and Foundations.Thomas Telford Limited.1981; [17] 17.Josepf E.Bowles.Foundation Analysis and Design .New york:MGrow Hill Book Company.1982